基于ZigBee通信的瓦斯監測系統設計

2002年8月成立了由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成的ZigBee聯盟。ZigBee的物理層和鏈路層協議主要采用IEEE 802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4～2.484 GHz免執照頻段進行通訊，工作在2.4 GHz頻段上的最高傳輸速率為250 Kb／s，采用了0-QPSK調制方法。圖3給出ZigBee無線通信接口電路，用于通信的ZigBee線路接入器選用符合標準ZigBee協議的集成收發RF器件CC2420和利用PCB無線收發天線，以及少量的外圍器件。CC2420采用直序擴頻技術，保證了數據傳輸的可靠性。電路中，其外圍電路包括晶體振蕩器時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的晶振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時，需外加晶體振蕩器和兩只負載電容，容值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入／輸出阻抗。CC2420通過內部繼承的SI、SO、SCK和CSn 4條SPI總線設置器件的工作模式，并實現讀／寫緩存數據及讀／寫狀態寄存器等功能，通過控制FIFO和FIFOP引腳接口狀態設置發射／接收緩存器。在數據傳輸過程中，CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA引腳狀態的設置清除通道估計，通過SFD引腳狀態的設置控制時鐘／定時信息的輸入。當系統上電后，將自動與井下無線通信網絡建立鏈路關系，通過中心控制臺，向監測系統發出網絡連接自檢信號，當MCU接收到連接信號后，返回應答信號至控制中心，完成一次完整的ZigBee網絡通信；如果在發送信號時ACK標志位置位，而且在一定的超時期限內沒有收到應答，發送器將重復發送固定次數，若仍無應答就宣布發生錯誤，請求重新建立通信連接。當通信鏈路成功時，整個檢測系統開始工作，C8051F010將采集到的模擬信號進行數字轉換、分析處理，將結果保存到內部數據寄存器中，通過SPI接口方式與CC2420實現通信。CC2420擴頻后將數據發送到中繼器FFD-1以數據包的形式傳送給下一級FFD網絡協調器，依次傳輸后到達井口的FFD中繼器，它通過RS485有線連接到地面指揮中心。

下位機程序設計方案包括動態連接網絡、數據采集部分和應用控制程序。動態連接網絡負責查詢網絡設備和建立通訊鏈路；數據采集部分包括瓦斯濃度的采集、處理和保存；應用控制程序負責執行控制命令等功能。總體程序流程如圖4所示。

在仿真試驗箱內，對不同測試點分別注入不同濃度的瓦斯樣本用于實驗數據測試。表1給出不同測試點的測試結果對比，真實值由標準的測試儀提供；該方法由仿真監控中心上位機提供。實驗測試數據保證了誤差在1％以內的精確度。

設計了基于ZigBee和雙MCU結構的井下無線通信現場綜合監測系統。通過巧妙選擇和配置控制器，合理優化設計系統接口電路，實現了傳感器信息的高速、高精度采集和復雜算法的大數據量實時計算、分析等功能，并降低成本，簡化電路設計。

該系統作為井下現場綜合監測的子系統，用于井下瓦斯信息的采集分析。實驗表明，它能夠滿足井下的信息采集、數據分析以及通信控制等任務，具有較好的可靠性和實時性。